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PICA故事

文字:[大][中][小] 2016/12/8    浏览次数:6183    


【何谓PICA材料】

  PICA即Phenolic Impregnated Carbon Ablator的缩写,中文名称为酚醛浸渍碳烧蚀材料,它目前是美国NASA星际探索项目中最重要的热防护材料之一。从名字我们可以大致了解材料的基本信息,即它是一种通过烧蚀来实现热防护的材料,且主要成分包括酚醛和碳材两部分。事实上,由碳和酚醛组成的材料最常见的是美国国防部(DoD)的碳/酚醛(Carbon Phenolic)复合材料,而它的诞生时期要比PICA材料早很多,通常是洲际导弹弹头的热防护材料。碳/酚醛可通过RTM等工艺成型获得,材料致密度较高,密度在1.4g/cm3左右,在高热流和高压下非常可靠。而PICA材料相对于碳/酚醛而言其密度要低很多,材料密度可根据使用环境进行调整,通常在0.25-0.6g/cm3范围。另外一种材料SLA-561的密度也仅为0.22g/cm3左右。下图是美国一些飞船着陆/再入过程中热环境和热防护材料应用情况,图中横坐标为驻点压力,纵坐标为峰值热流。由图可知,SLA主要应用于低热流的情况下,而PICA则能胜任更高热流条件。

  PS:飞行器在大气飞行过程中表面会受到气动加热,这种气动加热程度通常可以采用热流、焓值和压力来评价,这三个参数具有一定的匹配关系,因此根据热流和压力基本可表征热环境特点。

  热防护系统材料在设计和选择时,首先要保证材料能够承受严酷的气动热环境而不直接失效,其次便是材料的隔热性能要好,再则便是材料最好比较轻。一般飞船内部的仪器设备都不能忍受太高的温度,因此需要足够厚度的热防护材料才能保证设备正常工作。若材料的隔热性能差,那么热防护材料必然变厚,导致外部壳体非常笨重。在火箭推力不变的情况下必然会压缩飞船内部其它科学仪器或者设备的质量和空间,大大降低有效载荷。

  由此可见,在保证材料能够抵抗高热流的情况下大大降低材料密度是一种非常有效的手段。尽管降低材料的密度会损失一些力学性能,但是对于飞船着陆/再入时而言,这种材料轻质化所带来的效益是更加可观的。

【材料的研发】

  从20世纪60年代开始,美苏开启了火星探测之路,那个时期的海盗号、探路者号的热防护系统均采用了SLA材料,这种材料前文我们已经介绍到主要用于热流在300W/cm2以下的情况。随着星际探测的进一步发展,飞行器面临的热环境更加严酷,对于轻质且耐烧蚀的新型防热材料需求更加迫切,NASA阿姆斯材料研发团队便是在此背景下开启了PICA材料的研发。PICA材料采用低密度碳纤维预制体和新型浸渍工艺复合而成,其中纤维是纤维材料公司(FMI)生产的Fiberform碳纤维预制体,浸渍材料为酚醛树脂。PICA材料所采用的纤维预制体密度在0.152~0.176g/cm3范围,这种纤维预制体材料在锅炉保温等工业领域应用很广泛;所用树脂是由英国Borden公司提供的SC1008树脂,也是复合材料常用树脂。     NASA材料团队对浸渍技术进行了深入研究,最终实现了通过控制浸渍工艺参数来调节材料密度并保证酚醛树脂均匀分布的技术,并为此申请了专利。

【材料的烧蚀过程】

  NASA在完成PICA材料研发后进行了大量的风洞烧蚀试验,不仅对材料的烧蚀特性和机理作了深入分析,也对其失效机理和边界条件作了探索。通过对比和分析大量试验数据,他们认为PICA材料烧蚀过程可分为三个阶段。

  第一阶段发生在热流条件为425~570W/cm2范围,烧蚀性能主要受氧化速率所控制,材料的烧蚀量也主要由氧化引起,烧蚀量随着压力的升高而增大。这主要因为表面压力的提高增加了驻点表面氧原子浓度。

  第二阶段发生在热流为570~1900范围W/cm2,材料的烧蚀受到扩散控制,材料的散热主要通表面辐射实现,材料的烧蚀量反而随着压力的增加而有所降低。

  第三阶段发生在热流为2000W/cm2以上,材料的烧蚀机理主要受到碳的升华控制,这个阶段材料的表面温度非常高,从而材料中的碳直接发生升华反应,从而导致材料的防热效率提高。

【型号应用】

  PICA材料的首次应用是被选为星尘号返回舱的底部热防护系统材料,用于保护返回舱在再入地球的过程中安全着陆。星尘号是NASA的行星间宇宙飞船,主要目标是探测维尔德二号彗星(comet wild 2)和它的彗发成分组成,所谓彗发就是环绕在彗核周围的云状物。彗星在绕太阳的轨道上运转,当接近太阳时,太阳的热力会使彗核物质熔解并升华为气体,由此形成了彗发。星尘号于1999年2月9日发射升空,旅程达到46亿公里,2006年1月15日返回舱在美国犹他州着陆。星尘号返回舱是当初再入速度最快的飞行器(135km高度再入速度12.4km/s),在110s的时间内飞船速度便从36马赫数降低到了亚声速,返回的过程中舱体表面的最高温度达2900多摄氏度,据说犹他西部和内华达东部可以观测到巨大的火球和音爆。

  PICA材料的另一个应用便是火星科学实验室(好奇心号)的底部热防护系统材料。好奇心号是NASA的新一代核动力火星探测车,主要任务是调查火星过去或现在维持生命的可能性,并分析地表及岩石的组成成分。它于2011年11月26日发射,于2012年8月6日着陆在火星表面的盖尔陨石坑。在着陆的过程中,主要是直径达4.5m的底部热防护系统来直接承受气动加热,该系统是当时太空飞行器中最大的热防护系统。探测器在进入火星大气层时速度从5.8km/s的速度减速到470m/s,降落伞打开再进一步减速然后抛掉热防护系统以便于整个后续着陆,整个穿过火星大气层的过程中飞行器表面最高温度可达2090摄氏度。好奇心号探测器的着陆要求非常高,NASA科学家曾比喻着陆过程类似于洛杉矶发射一枚高尔夫球要击入苏格兰圣安德鲁斯市的一个高尔夫球洞。下面第一张图中右侧底部即为本文所述的热防护系统,第二张图为探测器拍摄到的火星表面。

【关键发明人物】

  在NASA热防护材料的发展历程中,有许多科学家做出了巨大贡献,这里不得不提到的便是本文中PICA材料的主要发明者——陈惠 (Huy Tran) 女士。这位国际一流的航天工程设计师于1963年出生在越南一个小乡村里,小小年纪的她对航天展现出极大的兴趣。幼时她的父亲在南越海军工作,但后来越南发生内战北越战胜了南越统一了越南。内战后,陈惠全家逃难至印度尼西亚,在联合国的难民营待了一年后到达美国。在全家九个孩子中陈惠排行老大,肩负起了家里八个弟弟妹妹的学习,在艰苦的条件下依旧考入了美国最大最优秀的社区学院之一迪安萨学院。在迪安萨学院学习期间,她成功申请到了NASA的实习机会并来到NASA阿姆斯研究中心,当时她被分配到防热材料实验室,凭借自己的努力付出获得了实验室的高度评价。在一年的实习结束之后,她继续跟随好几位研究人员学习工作,在1990年获得圣何西州立大学学士学位后,她又回到了NASA阿姆斯研究中心的防热材料实验室,成为了一名真正的航天工程设计人员。

  在NASA的阿姆斯研究中心,她作为主要发明者先后研发了酚醛浸渍碳烧蚀材料PICA和有机硅浸渍耐烧蚀材料SIRCA。2003年,她获得了NASA杰出工程成就奖 (NASA Exceptional Engineering Achievement Medal );2007年,她和团队发明的PICA获得NASA的美国政府年度发明奖 (NASA 2007 Government Invention of the Year);2008年,她被任命为NASA阿姆斯研究中心航空部副主任 (Deputy Director of Aeronautics)。从传统碳酚醛到新型PICA,陈惠的研发经验再一次表明创新思维与坚持不懈依然是促进科技向前发展的关键所在。


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